연구성과

화학 최창혁 교수팀, 연료전지 백금 촉매의 수명연장 실마리 찾아

2023-03-23 824

[최창혁 교수팀, 백금 부식 완화를 통한 연료전지 내구성 향상 전략 제시]

백금은 견고하고 아름다운 백색의 금속으로, 부식이 잘되지 않아 장신구에 널리 사용되는 최고의 귀금속이다. 그러나, 이러한 장신구로서의 사용은 전체의 30%에 불과하며, 대부분은 다양한 산업에 걸쳐 화학 촉매로서 주로 활용된다. 특히, 백금은 수소경제 사회의 핵심으로 여겨지는 연료전지의 주요 촉매로 활용되는데, 화학적으로 안정하다는 일반적인 상식과는 달리 연료전지 운전 중 부식되어 결국 이의 수명을 단축시키는 것으로 잘 알려져 있다.


최근 화학과 최창혁 교수 연구팀은 수소차 연료전지의 내구성을 악화시키는 백금의 화학적 부식 현상을 설명함과 동시에 연료전지의 수명을 늘릴 수 있는 실마리를 찾았다.

연료전지는 연료(수소 등)와 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 장치로, 온실가스 배출없이 높은 에너지 변환 효율(75% 내외)을 가져 탄소중립정책 실현을 핵심 기술로 주목받고 있다. 연료전지는 반응성이 뛰어난 백금 촉매의 사용이 필수적이나, 백금은 반응 환경에서 부식될 수 있어 연료전지의 수명을 단축시킨다. 연료전지의 내구성 향상을 위해서 백금 부식의 원인을 규명하고, 이를 해결하기 위해 백금 부식 과정에 대한 정확한 이해가 필요하다.

연구팀은 고도화된 전기화학 분광분석법을 통해 밀리초 수준의 순간적인 전압교란*1이 백금의 부식을 유발하며, 귀금속인 백금이 화학적으로 녹아나갈 수 있음을 밝혔다. 이와 같은 현상은 순수 백금 촉매뿐만 아니라, 상용 연료전지에 활용되는 고성능 연료전지 촉매인 백금-니켈, 백금-코발트 촉매에서도 일어날 수 있는 일반적인 현상임을 확인하였다.
연구를 이끈 최창혁 교수는 “짧은 전압교란을 통해, 연료전지 핵심 부품인 백금 촉매의 화학적 부식과정을 면밀히 관찰할 수 있었을 뿐만 아니라, 수소연료전지 자동차의 보급을 위한 백금 촉매의 부식을 방지하기 위한 다양한 전략 등을 제시할 수 있었다”고 연구의 의의를 밝혔다.

한편, 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 추진하는 ‘미래소재디스커버리’, ‘집단연구지원’ 사업의 지원으로 수행되었으며, 미국화학회가 발간하는 국제학술지 ‘JACS Au’에 게재되었다.


1. 전압교란
연료전지의 전압이 특정 외부변인(연료부족, 연료전지 시동/정지/급가속 등)에 의하여 비정상적으로 높아지는 현상